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技術 圧電モーター及び圧電モーター駆動方法

出願人 セイコーエプソン株式会社
発明者 橋本泰治
出願日 2012年6月15日 (8年0ヶ月経過) 出願番号 2012-135526
公開日 2014年1月9日 (6年5ヶ月経過) 公開番号 2014-003736
状態 未査定
技術分野 圧電、電歪、磁歪装置 超音波モータ、圧電モータ、静電モータ
主要キーワード ネジ状部材 長軸方向線 圧電モーター 付勢位置 導体平板 駆動開始前 長手方向溝 形状記憶合金製
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重要な関連分野

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図面 (12)

課題

回転体回転駆動する圧電モーターにおいて、回転の方向が変化する場合でも効率的な駆動を実現する

解決手段

回転軸を中心として正転方向及び該正転方向とは反対の逆転方向に回転する回転体と、振動するアクチュエーターであって、前記アクチュエーターの一部が前記回転体と当接することにより前記回転体を回転させるアクチュエーターと、を備える圧電モーターであって、前記アクチュエーターが前記回転体を前記正転方向に回転させる場合と前記逆転方向に回転させる場合とで、前記回転体と相対する前記アクチュエーターの姿勢が変化する。

概要

背景

振動する素子(例えば圧電素子)を備えるアクチュエーターによって回転体被駆動体)を回転駆動させる駆動装置として、圧電モーターが知られている。一般的な圧電モーターでは、回転体とアクチュエーターとの位置関係等を適正に設定する事によって、効率的に回転体を駆動させることができる。例えば特許文献1では、アクチュエーターを振動させる際に、該アクチュエーターと回転体との当接部が所定の角度をなすように、アクチュエーターの設置位置や姿勢を調整することによって、高い駆動効率で圧電モーターを駆動する方法が提案されている。

概要

回転体を回転駆動する圧電モーターにおいて、回転の方向が変化する場合でも効率的な駆動を実現する回転軸を中心として正転方向及び該正転方向とは反対の逆転方向に回転する回転体と、振動するアクチュエーターであって、前記アクチュエーターの一部が前記回転体と当接することにより前記回転体を回転させるアクチュエーターと、を備える圧電モーターであって、前記アクチュエーターが前記回転体を前記正転方向に回転させる場合と前記逆転方向に回転させる場合とで、前記回転体と相対する前記アクチュエーターの姿勢が変化する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

回転軸を中心として正転方向及び該正転方向とは反対の逆転方向に回転する回転体と、振動するアクチュエーターであって、前記アクチュエーターの一部が前記回転体と当接することにより前記回転体を回転させるアクチュエーターと、を備える圧電モーターであって、前記アクチュエーターが前記回転体を前記正転方向に回転させる場合と前記逆転方向に回転させる場合とで、前記回転体と相対する前記アクチュエーターの姿勢が変化する、ことを特徴とする圧電モーター。

請求項2

請求項1に記載の圧電モーターであって、前記アクチュエーターを前記回転体の方向に付勢する付勢部を有し、前記アクチュエーターが前記回転体を前記正転方向に回転させる場合と前記逆転方向に回転させる場合とで、前記付勢部によって前記アクチュエーターが付勢される量が異なる、ことを特徴とする圧電モーター。

請求項3

請求項2に記載の圧電モーターであって、前記付勢部は、形状記憶合金で形成されたばねを有し、前記ばねを加熱することにより、前記ばねが前記アクチュエーターを前記回転体の方向に付勢するように変形する、ことを特徴とする圧電モーター。

請求項4

請求項3に記載の圧電モーターであって、前記アクチュエーターは、所定の電圧信号印加されることによって振動し、前記付勢部に設けられた前記ばねのうち、前記回転体を回転させる際に前記アクチュエーターが前記回転体から受ける反作用と対向する方向に前記アクチュエーターを付勢するばねを介して、前記アクチュエーターに前記所定の電圧信号が印加される、ことを特徴とする圧電モーター。

請求項5

請求項2〜4のいずれかに記載の圧電モーターであって、前記付勢部は、前記アクチュエーターの重心位置よりも高い位置を付勢する、ことを特徴とする圧電モーター。

請求項6

請求項1に記載の圧電モーターであって、前記アクチュエーターが前記回転体と当接する際に、前記アクチュエーターの長手方向が、前記回転体が回転する方向に傾く、ことを特徴とする圧電モーター。

請求項7

振動するアクチュエーターの一部が当接することにより、回転軸を中心として回転体を正転方向及び該正転方向とは反対の逆転方向に回転させることと、前記アクチュエーターが前記回転体を前記正転方向に回転させる場合と前記逆転方向に回転させる場合とで、前記回転体と相対する前記アクチュエーターの姿勢が変化することと、を有する圧電モーター駆動方法

技術分野

0001

本発明は、圧電モーター及び圧電モーター駆動方法に関する。

背景技術

0002

振動する素子(例えば圧電素子)を備えるアクチュエーターによって回転体被駆動体)を回転駆動させる駆動装置として、圧電モーターが知られている。一般的な圧電モーターでは、回転体とアクチュエーターとの位置関係等を適正に設定する事によって、効率的に回転体を駆動させることができる。例えば特許文献1では、アクチュエーターを振動させる際に、該アクチュエーターと回転体との当接部が所定の角度をなすように、アクチュエーターの設置位置や姿勢を調整することによって、高い駆動効率で圧電モーターを駆動する方法が提案されている。

先行技術

0003

特開2001−286166号公報

発明が解決しようとする課題

0004

特許文献1の方法によれば、回転体が所定の方向(正転方向とする)に回転する場合に、良好な条件にて圧電モーターを駆動することができる。しかし、圧電モーターは用途に応じて駆動方向が変更され、所定の方向(正転方向)と反対の方向(逆転方向とする)に回転駆動される場合がある。逆転方向の回転を行うと、回転体を駆動する際にアクチュエーターに作用する反力が正転方向の回転の場合と異なるため、アクチュエーターの設置位置や姿勢がずれやすくなる。そのため、回転駆動時の回転方向が変化すると、効率的な駆動が行えなくなったり、圧電モーターの耐久性が低下したりするおそれがある。

0005

本発明は、回転体を回転駆動する圧電モーターにおいて、回転の方向が変化する場合でも効率的な駆動を実現することを課題としている。

課題を解決するための手段

0006

上記目的を達成するための主たる発明は、回転軸を中心として正転方向及び該正転方向とは反対の逆転方向に回転する回転体と、振動するアクチュエーターであって、前記アクチュエーターの一部が前記回転体と当接することにより前記回転体を回転させるアクチュエーターと、を備える圧電モーターであって、前記アクチュエーターが前記回転体を前記正転方向に回転させる場合と前記逆転方向に回転させる場合とで、前記回転体と相対する前記アクチュエーターの姿勢が変化する、ことを特徴とする圧電モーターである。
本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。

図面の簡単な説明

0007

圧電モーター1の分解斜視図である。
圧電モーター1の平面図である。
図2のA−A断面を表す断面図である。
図4A〜図4Cは、アクチュエーター10の動作を表す平面図である。
アクチュエーター10の動作によって回転体41を回転させる方法について説明する図である。
アクチュエーターと回転体との当接角度について説明する図である。
圧電モーター1を駆動する際のアクチュエーター10の姿勢の変化について説明する図である。
第1実施形態で、回転体41を回転させる際にアクチュエーター10に働く力について説明する図である。
第2実施形態における圧電モーター1の平面図である。
第2実施形態における圧電モーター1の側面図である。
第3実施形態における圧電モーター1の平面図である。

実施例

0008

本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。

0009

回転軸を中心として正転方向及び該正転方向とは反対の逆転方向に回転する回転体と、振動するアクチュエーターであって、前記アクチュエーターの一部が前記回転体と当接することにより前記回転体を回転させるアクチュエーターと、を備える圧電モーターであって、前記アクチュエーターが前記回転体を前記正転方向に回転させる場合と前記逆転方向に回転させる場合とで、前記回転体と相対する前記アクチュエーターの姿勢が変化する、ことを特徴とする圧電モーター。
このような圧電モーターによれば、回転体(被駆動部)を回転駆動する際に、回転の方向が変化する場合でも効率的な駆動を実現することができる。

0010

かかる圧電モーターであって、前記アクチュエーターを前記回転体の方向に付勢する付勢部を有し、前記アクチュエーターが前記回転体を前記正転方向に回転させる場合と前記逆転方向に回転させる場合とで、前記付勢部によって前記アクチュエーターが付勢される量が異なることが望ましい。
このような圧電モーターによれば、圧電モーターの回転方向が変化する場合でも、その回転方向に対応してアクチュエーターの姿勢の変動を小さくすることにより、効率的な駆動を実現することができる。

0011

かかる圧電モーターであって、前記付勢部は、形状記憶合金で形成されたばねを有し、前記ばねを加熱することにより、前記ばねが前記アクチュエーターを前記回転体の方向に付勢するように変形することが望ましい。
このような圧電モーターによれば、形状記憶合金製のばねの発熱による伸びでアクチュエーターの付勢量を変化させることから、当該ばね以外に別途の付勢手段を設けることなく、アクチュエーターの姿勢を調整することができる。

0012

かかる圧電モーターであって、前記アクチュエーターは、所定の電圧信号印加されることによって振動し、前記付勢部に設けられた前記ばねのうち、前記回転体を回転させる際に前記アクチュエーターが前記回転体から受ける反作用と対向する方向に前記アクチュエーターを付勢するばねを介して、前記アクチュエーターに前記所定の電圧信号が印加されることが望ましい。
このような圧電モーターによれば、複雑な制御が不要であり、装置の構成を簡易化してコストを低く抑えることができる。

0013

かかる圧電モーターであって、前記付勢部は、前記アクチュエーターの重心位置よりも高い位置を付勢することが望ましい。
このような圧電モーターによれば、回転体の周面に対してアクチュエーターを垂直に近い角度で当接させることができるようになる。また、両者が当接する際の摩擦力が大きくなり、より大きなトルクを発生させることができる。

0014

かかる圧電モーターであって、前記アクチュエーターが前記回転体と当接する際に、前記アクチュエーターの長手方向が、前記回転体が回転する方向に傾くことが望ましい。
このような圧電モーターによれば、単純な構成でアクチュエーターの姿勢を変化させ、効率的な駆動を実現することができる。回転体の回転方向があまり変化しない場合には、特に有効である。

0015

また、振動するアクチュエーターの一部が当接することにより、回転軸を中心として回転体を正転方向及び該正転方向とは反対の逆転方向に回転させることと、前記アクチュエーターが前記回転体を前記正転方向に回転させる場合と前記逆転方向に回転させる場合とで、前記回転体と相対する前記アクチュエーターの姿勢が変化することと、を有する圧電モーター駆動方法が明らかとなる。

0016

===第1実施形態===
第1実施形態では、圧電アクチュエーターを用いて回転体(被駆動部)を回転駆動させる圧電モーター1について説明する。

0017

<圧電モーター1の基本的構成>
図1は、圧電モーター1の分解斜視図である。図2は、圧電モーター1の平面図である。図3は、図2のA−A断面を表す断面図である。また、説明のため、図に示されるようなX軸、Y軸、Z軸からなる座標軸を設定する。Z軸は鉛直方向(図1において上向きの方向)であり、X軸はZ軸に対して垂直な方向であり、Y軸はZ軸及びX軸に垂直な方向であるものとする。

0018

本実施形態の圧電モーター1は、アクチュエーター10と、被駆動部40と、付勢部50と、装置本体60とを有する。

0019

(アクチュエーター10)
アクチュエーター10は、振動部材導体平板)20及び振動部材20の両面にそれぞれ接着された圧電素子30を備える。

0020

振動部材20は略長方形板状部材21と、板状部材21の長手方向(図1でY軸方向)の一端側に突出するように延設された突起部22と、板状部材21の幅方向図1でX軸方向)の両端側に延設された一対の腕部23を有する。

0021

板状部材21は金属や樹脂材料によって形成される。本実施形態では、導電性を有するステンレス鋼(SUS)で形成され、後述する2つの圧電素子30の第1電極32同士を導通させる共通電極としても機能させている。腕部23には、Z軸方向に貫通する貫通孔23Aが設けられており(図1参照)、貫通孔23Aに挿通させたねじ状の部材を介して詳しくは後述する固定部52に固定される。すなわち、アクチュエーター10は、振動部材20の腕部23によって固定部52に固定される。そして、圧電素子30の振動に応じて、振動部材20は固定部52に対して腕部23を基点としてXY平面上で縦振動及び屈曲振動が可能となるように支持される。縦振動及び屈曲振動の具体的動作については後で説明する。

0022

圧電素子30は振動部材20の両面にそれぞれ設けられ、所定の電圧信号を印加されることによって振動する。圧電素子30は、圧電体層31と、圧電体層31の振動部材20側に設けられた第1電極32と、圧電体層31の第1電極32とは反対側に設けられた第2電極33とを備える。詳しくは後述するが、圧電素子30は、長手方向(図1でY軸方向)の中央部が縦振動及び屈曲振動における節となっており、長手方向の中央部は比較的変位量が少ない。

0023

圧電体層31は、電気機械変換作用を示す圧電材料、特に圧電材料の中でも一般式ABO3で示されるベロブスカイト構造を有する金属酸化物からなる。圧電体層31としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ酸化ニッケル、又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛、チタン酸鉛ランタンジルコン酸チタン酸鉛ランタン、又はマグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、チタン酸バリウムニオブ酸リチウム等を用いることができる。もちろん、本実施形態の圧電体層31は、上記した材料に限定されるものではない。

0024

第1電極32は、圧電体層31の振動部材20側の面に亘って連続して設けられた共通電極である。

0025

第2電極33は、複数の電極(331〜333)によって構成され、各電極は溝部34によって互いに電気的に隔離されている。第2電極33を分割する溝部34は、第2電極33を幅方向(図1でX軸方向)にほぼ三等分するように形成された長手方向溝部34Aと、長手方向溝部34Aによって分割された3つの電極のうち幅方向両側の電極を長手方向でほぼ二等分するように形成された幅方向溝部34Bとからなる。第2電極33は、これら長手方向溝部34A及び幅方向溝部34Bからなる溝部34によって、幅方向中央部に長手方向に亘って設けられた縦振動用電極部331と、この縦振動用電極部331の幅方向両側に、縦振動用電極部331を挟んで対角となるように配置されて対をなす2組の屈曲振動用電極部332及び333との合計5つに分割されている。ここで、圧電素子30は、第2電極33の縦振動用電極部331が設けられた領域が、圧電素子30の長手方向(Y軸方向)の縦振動を励起する縦振動励起領域となっている。これに対して、該縦振動励起領域の幅方向両側の屈曲振動用電極部332,333が設けられた領域が、それぞれ圧電素子30の幅方向(X軸方向)に屈曲振動を励起する屈曲振動励起領域となっている。以下、縦振動用電極部331を電極331とも呼び、屈曲振動用電極部332及び333を電極332及び333とも呼ぶ。

0026

(被駆動部40)
被駆動部40は、回転体41と回転軸42とを有し、アクチュエーター10によって駆動されることにより、回転動力を発生させる。
回転体41は円筒円柱)形の部材であり、回転軸42によって圧電モーター1の装置本体60に接続され(図3参照)、回転軸42を中心としてXY平面上で図2の矢印に示される回転方向に回転する。詳細については後述するが、本実施形態で回転体41はアクチュエーター10の突起部22と当接する際の摩擦力によって回転する。したがって、十分な強度を得られるように回転体41は金属やセラミック等の硬い材料で形成されることが望ましい。なお、被駆動部40の回転方向はアクチュエーター10の動作方向によって変更することが可能である。

0027

(付勢部50)
付勢部50は、アクチュエーター10を被駆動部40(回転体41)の方向に向かって所定の力で付勢する。付勢部50は、固定部52と、保持部材53と、スライドピン54と、ばね部材55と、導電部56と、偏心ピン58とを有する。

0028

固定部52は、アクチュエーター10を固定するためのフランジ状の部材であり、図1のようにアクチュエーター10の腕部23に対応する位置に一対設けられる。固定部52のフランジ面はアクチュエーター10の長手方向(図でY軸方向)に沿って伸びた長方形の板状部材であり、フランジ面の中央部付近固定用孔52Aが開いている。固定用孔52Aは、振動部材20の腕部23に設けられた貫通孔23Aと同軸の孔であり、図1に示されるようなネジ状部材を貫通孔23A及び固定用孔52Aに通すことによってアクチュエーター10が固定部52に固定される。

0029

保持部材53は、アクチュエーター10の幅方向(X軸方向)両端の固定部52の間に一体的に設けられる板状の部材であり、装置本体60に対して付勢部50をスライド可能に取り付ける。保持部材53の幅方向(X軸方向)中央部には、長手方向(Y軸方向)に沿って縦長のスライド孔53A、及び、スライド孔53Bが設けられる(図2参照)。スライド孔53Aはスライド孔53Bよりも回転体41に近い位置に設けられ、また、スライド孔53AのX軸方向の幅は、スライド孔53BのX軸方向の幅よりも狭く形成される。

0030

スライドピン54はスライド孔53A及びスライド孔53Bに挿通することによって、保持部材53を支持する。ここで、スライド孔53AのX軸方向の幅は、スライドピン54の軸径(軸の太さ)とほぼ同等の大きさである。そのため、保持部材53はY軸方向にスライド移動可能に支持される。一方、スライド孔53BのX軸方向の幅はスライドピン54の軸径よりも大きい。そのため、スライド孔53Bにスライドピン54を挿通することによって、保持部材53はY軸方向にスライド移動可能に支持されるとともに、スライド孔53Aの位置を基点としてスライド孔53Bの位置でX軸方向にスイング可能に支持される。

0031

ばね部材55はコイルばね等の弾性部材であり、図2では、アクチュエーター10を挟んでX軸方向の右側にばね551を有し、X軸方向の左側にばね552を有する。ばね551及び552の一端部は、それぞれ固定部52のフランジ面側面に固定される。また、ばね551及び552の他端部は、装置本体60に偏心回転可能に固定された偏心ピン58の側面に当接するように固定される。図に示されるように、ばね551及び552は、保持部材53のスライド方向(すなわち、図のY軸方向)に沿って配置されている。そして、Y軸方向に作用する弾性力によってアクチュエーター10を回転体41に向かって付勢する。

0032

本実施形態のばね551及び552は、形状記憶合金によって形成される。ここで、形状記憶合金は、常温時において形状が変形した場合であっても、熱を加えることによって元の形状に戻る導電性を有する金属である。本実施形態で、ばね551及び552は、共に常温時においてY軸方向に縮んだ状態で設置されており、加熱することによってY軸方向に伸びてアクチュエーター10を回転体41の方向へさらに付勢するように構成される。また、ばね551及び552は、アクチュエーター10の圧電素子30を振動させる為の電圧波形信号を印加する際に電流を流す導電線としての機能を有する。

0033

なお、本実施形態では、ばね部材55としてコイルばねを用いたが、ばね部材55は特にこれに限定されず、例えば、板ばね等の弾性部材を用いるようにしてもよい。

0034

導電部56は、導電性を有する金属等で形成された接続導体561及び562を有する。接続導体561はX軸方向の右側の固定部52のフランジ面に設けられ、接続導体562はX軸方向の左側の固定部52のフランジ面に設けられる(図2参照)。接続導体561及び562は、不図示の電圧波形信号生成部によって生成され、ばね551及び552を介して伝送される電圧波形信号を、圧電素子30の電極332及び333にそれぞれ供給する。

0035

具体的には、図2に示されるように、ばね551と接続導体561と電極332とが接続され、電極332を振動させる際には、ばね551、接続導体561、電極332の順に電流が流れる。同様に、ばね552と接続導体562と電極333とが接続され、電極333を振動させる際には、ばね552、接続導体562、電極333の順に電流が流れる。

0036

偏心ピン58は、装置本体60に対して偏心回転可能に設けられており、偏心ピン58を偏心回転させることによって、偏心ピン58の側面と保持部材53との間隔を変化させて、ばね部材55による付勢力を調整することができる。

0037

このような付勢部50によって、アクチュエーター10は、圧電素子30の長手方向(Y軸方向)が回転体41(回転軸42)の中心となるように、所定の圧力で回転体41に付勢される。すなわち、本実施形態のアクチュエーター10は、圧電素子30の長手方向が回転体41の径方向になるように配置され、回転体41の径方向に向かってスライド移動可能に設けられている。したがって、アクチュエーター10は、圧電素子30の長手方向が回転体41の径方向となるように付勢される。そして、付勢部50によってアクチュエーター10の突起部22を回転体41に付勢しながら、圧電素子30に縦振動及び屈曲振動を同時に励振して突起部22が楕円軌道を描くように駆動することで回転体41を回転させることができる。

0038

(装置本体60)
装置本体は、図1図3に示されるようにアクチュエーター10や被駆動部40、付勢部50等が固定される基盤である。

0039

<アクチュエーター10の動作の説明>
図4A〜図4Cは、本実施形態のアクチュエーター10の動作を表す平面図であり、図5は、アクチュエーター10の動作によって回転体41を回転させる方法について説明する図である。

0040

図4Aは、アクチュエーター10の長手方向(Y軸方向)の振動を表す図である。圧電素子30の縦振動用電極部331に所定の電圧信号が印加されると、縦振動用電極部331は長手方向(Y軸方向)に伸張・収縮する。すなわち、XY平面において縦振動励起領域が長手方向(Y軸方向)に伸張・収縮することによって、圧電素子30に長手方向の縦振動を生じさせる。

0041

図4B及び図4Cは、アクチュエーター10の幅方向(X軸方向)の振動を表す図である。圧電素子30の対となる屈曲振動用電極部332にそれぞれ所定の電圧信号が印加されると、屈曲振動用電極部332はそれぞれ長手方向(Y軸方向)に伸張・収縮する。同様に、屈曲振動用電極部333にそれぞれ所定の電圧信号が印加されると、屈曲振動用電極部333はそれぞれ長手方向(Y軸方向)に伸張・収縮する。

0042

図4Bでは、圧電素子30の幅方向で対角となる屈曲振動用電極部333(屈曲振動励起領域)をそれぞれ伸張させている。これにより、圧電素子30が図4Bの破線で示されるようなS字状に変形する。逆に、図4Cでは、屈曲振動用電極部333をそれぞれ収縮させている。これにより、圧電素子30が図4Cの破線で示されるような逆S字状に変形する。この図4B及び図4Cに示す屈曲変形を交互に繰り返させることで、圧電素子30にS字状及び逆S字状の屈曲振動を生じさせる。屈曲振動用電極部332についても同様の動作が行われる。

0043

圧電素子30において、縦振動励起領域による縦振動と屈曲振動励起領域による屈曲振動とを交互に繰り返させることにより、図5に示すように、アクチュエーター10の長手方向の端部、すなわち、振動部材20の突起部22を、楕円軌道を描くように回転駆動することができる。具体的には、圧電素子30に、縦方向(長手方向)の伸張、S字状の屈曲、縦方向の収縮、逆S字状の屈曲の変形を順次繰り返し行わせることで、突起部22をXY平面において時計まわり方向に楕円軌道を描くように回転駆動することができる。また、圧電素子30に変形を行わせる際に、屈曲の順番入れ替えることで、突起部22をXY平面において反時計まわり方向に楕円軌道を描くように回転駆動することもできる。

0044

なお、本実施形態では、振動部材20の両面にそれぞれ圧電素子30が設けられているが(図1及び図3参照)、2つの圧電素子30は、振動部材20の面内において同じ縦振動及び屈曲振動を行う。すなわち、2つの圧電素子30の各縦振動励起領域及び屈曲振動励起領域は、アクチュエーター10を一方の圧電素子30の第2電極33側から平面視した際に重なるように配置されており、平面視した際に重なる領域において同じ伸張・収縮を行わせることで、振動部材20は面内方向に変形する。

0045

楕円軌道を描くように駆動される突起部22が付勢部50によって回転体41に押し付けられて当接することにより、図5のように回転体41が回転される。なお、アクチュエーター10によって回転される回転体41の回転数は、縦振動及び屈曲振動を行う振動周期による影響が大きく、また、回転体41のトルクは、付勢部50によるアクチュエーター10の回転体41への付勢力による影響が大きい。

0046

また、回転体41を回転させる際に、アクチュエーター10は回転体41に当接する突起部22を介して、回転駆動による反作用を受ける。例えば、図5において、突起部22が時計まわり方向に楕円軌道を描くように回転体41と当接する場合、回転体41は反時計まわり方向(正転方向とする)に回転駆動され、アクチュエーター10(突起部22)にはその反作用によって反時計まわり方向のモーメントが作用する。したがって、駆動中にアクチュエーター10と回転体41との当接角度が変化する場合がある。

0047

図6は、アクチュエーターと回転体との当接角度について説明する図である。図6では、回転体に対してアクチュエーターの突起部が接点Pにおいて当接する場合の例について示している。この場合、回転体の外周面上の接線Sと、アクチュエーターの突起部の楕円軌道の長軸方向線Tとのなす角度がφで表される。ここで、角度φ=0となる場合、つまり接線Sと楕円の長軸方向線Tとが一致するように圧電モーターを駆動する場合に、最も高い駆動効率が得られることがわかっている。

0048

図7は、圧電モーター1を駆動する際のアクチュエーター10の姿勢の変化について説明する図である。本実施形態の圧電モーター1では、アクチュエーター10の突起部22の位置と回転体41の中心位置(回転軸42の位置)とがX軸方向の同じ位置に配置されている(図2参照)。つまり、非駆動状態においてはφ=0である。一方、回転体を回転させる際にはアクチュエーター10が反作用によるモーメントを受けるため、図7に示されるように、回転体41に対してアクチュエーター10の姿勢が傾く。この場合、アクチュエーター10と回転体41との当接角度が変化して角度φが大きくなり、圧電モーター1の駆動効率が低下する。

0049

駆動動作時のアクチュエーターの姿勢について>
上述のような駆動効率の低下を抑制するため、本実施形態では駆動に応じてアクチュエーター10の姿勢を変化させる。具体的には、回転体41を正転方向に回転させる場合と、正転方向と逆の逆転方向に回転させる場合とで、回転体41と相対するアクチュエーター10の姿勢を変化させる。そして、それぞれの回転方向について、アクチュエーター10と回転体41との当接角度が適切になるようにすることで、圧電モーター1を効率的に駆動させる。

0050

図8は、本実施形態において、回転体41を回転させる際にアクチュエーター10に働く力について説明する図である。アクチュエーター10を駆動させる際には、上述のように圧電素子30に所定の電圧信号を印加して、縦振動用電極及び屈曲振動用電極を伸縮させることによって振動部材20の突起部22を楕円運動させる。本実施形態では、回転体41を反時計回り方向(正転方向)に回転させる際に屈曲振動用電極部333を用いてアクチュエーター10を駆動し、回転体41を時計回り方向(逆転方向)に回転させる際に屈曲振動用電極部332を用いてアクチュエーター10を駆動する。

0051

回転体41を正転方向に回転させる場合、図8太線部で表されるように、アクチュエーター10の左側に配置されるばね552から接続導体562を介して屈曲振動用電極部333に電圧信号が印加される。すなわち、ばね552及び接続導体562に電流が流れる。なお、固定部52は非導電性材質で形成されているので、当該固定部52には電流が流れない。

0052

ばね552は形状記憶合金製で、常温時において縮んだ状態で設置されているため、電流が流れると発熱して(加熱して)Y軸方向に伸びる。ばね552の一端側は偏心ピン58に固定されているので、ばね552(形状記憶合金)が加熱によって伸びると、アクチュエーター10の左側の固定部52がY軸方向に付勢される。右側のばね552から付勢されることによって、アクチュエーター10にはスライド孔53A(スライドピン54)の位置を中心として時計まわり方向のモーメントが発生する。この形状記憶合金の付勢によるモーメントによって、回転体41を正転方向に回転させる際にアクチュエーター10に作用する反時計まわり方向のモーメント(駆動時の反作用によるモーメント)が相殺され、回転体41に対するアクチュエーター10の当接角度の変化が小さく抑えられる。すなわち、回転体41の接線Sとアクチュエーター10の突起部22の楕円軌道の長軸方向線Tとがなす角度φが0に近づくように、アクチュエーター10の姿勢が調整される。

0053

一方、回転体41を逆転方向に回転させる場合には、アクチュエーター10の右側に配置されるばね551から接続導体561を介して屈曲振動用電極部332に電圧信号が印加される。したがって、図8の場合と逆に、アクチュエーター10はばね551(形状記憶合金)によってY軸方向に付勢される。これにより、反時計まわり方向のモーメントを発生させ、駆動の反作用によるモーメントを相殺してφが0に近づくようにアクチュエーター10の姿勢が調整される。

0054

つまり、本実施形態では、回転体41を回転させる際にアクチュエーター10が回転体41から受ける反作用と対向する方向に該アクチュエーター10を付勢するばねを介して、アクチュエーター10に電圧信号が印加される。当該ばねは電流が流れることで加熱して伸び、その伸び分だけアクチュエーター10が付勢される。したがって、回転体41の回転方向に応じて、ばねによってアクチュエーター10が付勢される量が変化する。

0055

このように、回転体が回転駆動される際の回転方向に応じてアクチュエーターが付勢される量が異なることによって、回転体に相対するアクチュエーターの姿勢も変化する。具体的は、形状記憶合金からなるばねの付勢によるモーメントが、回転体駆動時の反作用によるモーメントを打ち消す方向に働き、アクチュエーターの姿勢の変動を小さくすることができる。そのため、圧電モーターで被駆動部の回転方向が変化する場合でも、その回転方向に対応して効率的な駆動を実現することができる。

0056

また、本実施形態では付勢部に設けられた形状記憶合金製のばねの発熱による伸びで付勢量を変化させることから、当該ばね以外に別途の付勢手段を設ける必要がなく、複雑な制御も不要である。したがって、装置の構成を簡易化し、コストを低く抑えることができる。

0057

===第2実施形態===
第2実施形態では、アクチュエーターの付勢位置を変更することにより、より効率的な駆動を行なう。

0058

図9は、第2実施形態における圧電モーター1の平面図である。図10は、第2実施形態における圧電モーター1の側面図である。第2実施形態では、付勢部50の構成が第1実施形態とは異なる。それ以外の構成は、第1実施形態とほぼ同様である。

0059

第2実施形態の付勢部50では第1実施形態の固定部52とは形状の異なる固定部57が設けられる。固定部57は、ばね551及びばね552によって付勢される部分が、XZ平面と平行な板状に形成されている。また、ばね551及びばね552は、板状部材21(振動部材20)よりもZ軸方向の高い位置に設置される(図10参照)。したがって、ばね551(または、ばね552)によってアクチュエーター10が付勢される際には、該アクチュエーター10のZ軸方向の重心位置よりも高い位置が付勢される。本実施形態において、アクチュエーター10の重心位置とは、振動部材20及び固定部57の全体としての重心位置のことである。

0060

<第2実施形態の動作について>
アクチュエーター10を駆動して回転体41を回転させる際に、駆動の反作用によるモーメントが回転体41の回転方向と同じ向きに働くことを説明したが、アクチュエーター10に対して他の方向にも反作用が働く場合がある。図10の場合、突起部22が回転体41と当接する際に、回転体41からの反作用によって、アクチュエーター10に対してYZ平面上で反時計回り方向のモーメントが発生する。この場合、突起部22をZ軸方向の上側に移動させるような力が作用し、アクチュエーター10の姿勢がZ軸方向に傾きやすくなるため、駆動効率が悪化するおそれがある。

0061

第2実施形態でアクチュエーター10を駆動させる際には、第1実施形態と同様にしてばね551(またはばね552)を介して圧電素子30に電圧信号が印加される。形状記憶合金製のばね551(またはばね552)に電流が流れると、ばねが発熱して伸び、アクチュエーター10をY軸方向に付勢する。このとき、本実施形態ではアクチュエーター10のZ軸方向の重心位置よりも上側が付勢されるため、アクチュエーター10に対してYZ平面上で時計回り方向のモーメントが発生する。

0062

そして、ばね551(またはばね552)の付勢による時計回り方向のモーメントによって、駆動の反作用による反時計回り方向のモーメントが打ち消されることで、アクチュエーター10のZ軸方向の姿勢の変化が小さくなる。

0063

これにより、回転体41の周面に対して突起部22を垂直に近い角度で当接させることができるようになる。また、両者が当接する際の摩擦力が大きくなり、より大きなトルクを発生させることができる。つまり、アクチュエーター10のYZ平面における姿勢の変化を小さくすることで、より効率的な駆動を実現することができるようになる。

0064

===第3実施形態===
第3実施形態では、より簡単な構成で効率的な駆動を行なう。
図11は、第3実施形態における圧電モーター1の平面図である。第3実施形態の圧電モーターでは、付勢部50の構成が前述の各実施形態と異なる。

0065

第3実施形態の付勢部50では、固定部52に接続導体561及び562が備えられていない。また、ばね551及びばね552の材質を形状記憶合金にする必要はなく、もっと安価な金属や樹脂等を使用することが可能である。そして、本実施形態では、圧電素子30を振動させるための電圧信号が、ばね551及び552を介さず、不図示の電圧信号印加用配線によって印加される。すなわち、圧電モーター1の駆動動作中にばね551及び552には電流が流れない。

0066

また、保持部材53のスライド孔53A及び53Bに挿通されるスライドピンがそれぞれ異なる。スライド孔53Aに挿通されるスライドピンは第1実施形態のスライドピン54と同様である(第3実施形態ではスライドピン54Aと呼ぶ)。一方、スライド孔53Bに挿通されるスライドピンは、図11のX軸方向に移動可能なスライドピン54Bである。スライドピン54Bの形状はスライドピン54Aとほぼ同じであるが、X軸方向に移動させることにより、スライド孔53Aの位置を基点として、保持部材53をスライド孔53Bの位置でX軸方向にスイング可能に支持する。なお、スライドピン54BのX軸方向の移動は手動で行ってもよいし、外部から動力を加えることで行ってもよい。

0067

<第3実施形態の動作について>
第3実施形態では、回転体41の回転方向に応じて、スライドピン54BをあらかじめX軸方向に移動させて、アクチュエーター10の姿勢を変更しておく。例えば、回転体41を正方向(反時計回り方向)に回転させる場合、スライドピン54Bを図11の左側に移動させておく。スライドピン54AのX軸方向の位置が変化しないのに対して、スライドピン54BがX軸方向の左側に移動するため、回転体41に対するアクチュエーター10の角度が変化する。つまり、アクチュエーター10が回転体41と当接する際に、アクチュエーター10の長手方向が回転体41の回転する方向に傾くように、該アクチュエーター10の姿勢を変更する。図11の場合、振動部材20の突起部22が回転体41に対して右側に傾くような姿勢に変化する。

0068

この状態で駆動を開始すると、突起部22が時計まわり方向に楕円軌道を描くように動作して回転体41に当接する。そして、アクチュエーター10(突起部22)には駆動の反作用によって反時計回り方向のモーメントが作用する。アクチュエーター10は右側に傾くような姿勢で設置されているため、当該反作用によってアクチュエーター10の姿勢をY軸と平行にするような力が働く。その結果、回転体41の接線Sとアクチュエーター10の突起部22の楕円軌道の長軸方向線Tとがなす角度φが0に近づくように、アクチュエーター10の姿勢が適切に調整される。

0069

逆に、回転体41の回転方向を逆転方向(時計回り方向)とする場合は、スライドピン54Bを図11の右側に移動させることで、駆動時におけるアクチュエーター10の姿勢を適切に調整することができる。

0070

なお、上述の例ではスライドピン54Bを移動させることで回転体41に対するアクチュエーター10の長手方向の角度を傾けていたが、その他の構造によって姿勢を変更してもよい。例えば、アクチュエーター10の側部にX軸方向に伸縮するピストンを設け、該ピストンによってスライドピン54Bの位置でアクチュエーター10をX軸方向に押す(もしくは引く)構造とすることもできる。

0071

第3実施形態によれば、スライドピン54Bの位置を変更して、アクチュエーターの長手方向を回転体の回転方向に傾けることによって、効率的な駆動を実現することができる。付勢部50のばねを介して圧電素子30に電圧信号を印加する必要がなくなるため、付勢部50の構成が単純となり、装置全体のコストを低く抑えることもできる。特に、回転体41の回転方向があまり変化しない場合には、駆動開始前にスライドピン54Bを手動で移動させるだけで対応可能なため、低コストで効率的な駆動を行なう手段として有効である。

0072

===その他の実施形態===
一実施形態としての圧電モーターについて説明したが、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは言うまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。

0073

1圧電モーター、
10アクチュエーター、
20振動部材、21板状部材、22突起部、23 腕部、23A貫通孔、
30圧電素子、31圧電体層、32 第1電極、33 第2電極、
331縦振動用電極部、332・333屈曲振動用電極部、
34 溝部、34A長手方向溝部、34B幅方向溝部、
40 被駆動部、41回転体、42回転軸、
50付勢部、52 固定部、52A固定用孔、
53保持部材、53A・53Bスライド孔、
54・54A・54Bスライドピン、
55ばね部材、551・552 ばね、56導電部、561・562接続導体、
57 固定部、58偏心ピン、
60 装置本体

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